Nanocompositi magnetici di carbonio Fe3O4 sintetizzati tramite riscaldamento a induzione magnetica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7244 (2023) Citare questo articolo

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Il riscaldamento ad induzione magnetica (MIH) delle nanoparticelle di magnetite è impiegato come una nuova procedura di sintesi di nanocompositi magnetici a base di carbonio. Le nanoparticelle magnetiche (Fe3O4) e il fruttosio (rapporto in peso 1:2) sono stati miscelati meccanicamente e sottoposti a un campo magnetico RF (305 kHz). Il calore generato dalle nanoparticelle porta alla decomposizione dello zucchero e alla formazione di una matrice di carbonio amorfa. Vengono analizzati comparativamente due set di nanoparticelle, con diametro medio di 20 e 100 nm. Le caratterizzazioni strutturali (diffrazione di raggi X, spettroscopia Raman, microscopia elettronica a trasmissione (TEM)), elettriche e magnetiche (resistività, magnetometria SQUID) confermano il rivestimento di carbonio delle nanoparticelle attraverso la procedura MIH. La percentuale della frazione carboniosa viene opportunamente aumentata controllando la capacità di riscaldamento magnetico delle nanoparticelle magnetiche. La procedura consente la sintesi di nanocompositi multifunzionali con proprietà ottimizzate da applicare in diversi campi tecnologici. In particolare, viene presentata la rimozione del Cr (VI) da mezzi acquosi utilizzando il nanocomposito di carbonio con nanoparticelle Fe3O4 da 20 nm.

I nanocompositi, definiti come materiali multifase in cui la matrice ha almeno una delle sue dimensioni inferiori a 100 nm, rappresentano una classe di nanomateriali ampiamente studiata da diversi decenni1. In particolare, la loro natura multifunzionale offre la possibilità di applicarli in diversi settori coprendo un'ampia gamma di applicazioni tecnologiche. La combinazione di diversi elementi con specifiche proprietà catalitiche, magnetiche, elettroniche e ottiche, nonché funzionalità di superficie, porta a prestazioni ottimizzate eccezionali. Tra questi sistemi spiccano i nanocompositi di carbonio magnetico2,3,4,5,6, dove il rivestimento di nanoparticelle magnetiche con carbonio, oltre a fornire la multifunzionalità desiderata, migliora la stabilità termica e chimica, la resistenza all'ossidazione, garantendo biocompatibilità ed elevata area superficiale specifica. Un adeguato controllo dei gruppi funzionali sulla superficie del carbonio porta ad adsorbenti degli inquinanti altamente efficienti, nanovettori per la somministrazione di farmaci e terapie antitumorali, e ottimizza le prestazioni dei nanocompositi come elettrocatalizzatori o componenti di accumulo di energia nelle batterie al litio. Inoltre, il nucleo magnetico amplia la funzionalità del nanocomposito: separazione magnetica (recupero e riciclaggio di adsorbenti inquinanti), applicazioni biomediche (somministrazione di farmaci a temperatura assistita, ipertermia magnetica, agenti di contrasto dell'immagine) o assorbenti e filtri elettromagnetici a microonde, tra gli altri.

Diversi processi chimici possono essere impiegati nella preparazione di nanostrutture a base di carbonio7, la maggior parte dei quali basati sul trattamento termico di precursori selezionati a temperature elevate (ad esempio metodo idrotermale/solvotermico, procedura di pirolisi, processo sol-gel). Tuttavia, sono state esplorate e analizzate anche procedure di riscaldamento mediante radiazione non termica come tecniche efficienti per sintetizzare nanomateriali e nanocompositi8. In queste tecniche (ad esempio riscaldamento a microonde, riscaldamento laser, riscaldamento Joule o riscaldamento ad induzione magnetica) il calore viene generato direttamente e localmente all'interno degli oggetti, contrariamente ai trattamenti termici tradizionali in cui il calore esterno viene trasferito agli oggetti tramite un mezzo.

In particolare, il riscaldamento ad induzione magnetica (MIH) è uno strumento metallurgico tradizionale basato sul riscaldamento legato alla generazione di correnti parassite in seguito all'applicazione di un campo magnetico CA in elementi metallici (conduttivi)9. Il riscaldamento Joule provoca un riscaldamento quasi istantaneo a temperature molto elevate in pochi secondi. Tuttavia, è ben noto e ampiamente riportato negli ultimi decenni che le nanoparticelle magnetiche (MNP) possono agire come nanoriscaldatori, legati ai loro processi di isteresi magnetica, rilassamento e risonanza quando sottoposti a un campo magnetico RF (ipertermia magnetica)10,11. Negli ultimi decenni è stato fatto un grande sforzo per la sua applicazione nel settore biomedico (drug delivery e terapie antitumorali)12,13. Tuttavia, la sua applicazione in altri campi tecnologici, come la sintesi di nuovi nanocompositi, è stata scarsamente analizzata in letteratura. In particolare, la generazione di calore di MNP sotto campo magnetico CA può essere impiegata per calcinare un gel precursore di ossido di metallo14, crescita controllata di strutture metallo-organiche15, nanocatalizzatore di idrogenazione di Ru16 o nanoparticelle di ossido di ferro magnetico ottimizzate17.